Hücreler Organizmaları Nasıl Oluşturur: Hücrelerin Kendi Kendilerini Organize Etmek İçin Kullandıkları Anahtar Kontrol Mekanizması Keşfedildi

Video: Canlı hücre görüntüleme yöntemi, gelişmekte olan omuriliğin erken gelişim sırasında oluşmasıyla ortaya çıkan dinamik ortamı ve hücre hareketinin boyutunu gösteriyor. Video Sahibi: Tony Tsai/Sean Megason/Harvard Tıp Fakültesi

Anahtar kontrol mekanizması, hücrelerin gelişmekte olan embriyoda doku ve anatomik yapılar oluşturmasına izin verir.

Mikroskop altında, her çok hücreli organizmanın hayatının ilk birkaç saati uyumsuz bir şekilde kaotik görünür. Döllenmeden sonra, bir zamanlar sakin olan tek hücreli bir yumurta tekrar tekrar bölünerek hızla büyüyen embriyonun içinde pozisyon almak için çabalayan görsel olarak çalkantılı bir hücre çukuruna dönüşür.

Yine de bu bariz kargaşanın ortasında, hücreler kendi kendine organize olmaya başlar. Kısa süre sonra, dokuların, organların ve beyinden ayak parmaklarına ve aradaki her şeye kadar ayrıntılı anatomik yapıların inşası için temel oluşturan uzamsal model ortaya çıkar. Onlarca yıldır bilim insanları morfogenez adı verilen bu süreci yoğun bir şekilde incelediler, ancak birçok yönden gizemli kalıyor.

Şimdi, Harvard Tıp Fakültesi ve Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (IST) Avusturya’daki araştırmacılar, hücrelerin erken embriyonik gelişimde kendi kendini organize etmek için kullandıkları anahtar bir kontrol mekanizması keşfettiler. Science’ta 2 Ekim 2020’de yayınlanan bulgular, çok hücreli yaşam için temel olan bir sürece ışık tutuyor ve gelişmiş doku ve organ mühendisliği stratejileri için yeni yollar açıyor.

HMS’deki Blavatnik Enstitüsü’nde sistem biyolojisi profesörü Sean Megason tarafından yönetilen zebra balığı embriyolarında omurilik oluşumunu inceleyen bir ekip, farklı hücre türlerinin, morfojenez sırasında kendi kendini sıralamak için adezyon moleküllerinin benzersiz kombinasyonlar oluşturduğunu ifade etmiştir. Bu “adezyon kodları”, gelişmekte olan embriyoda yaygın olan yeniden hücresel düzenlemeler meydana gelse bile, hangi hücrelerin bağlı kalmayı tercih ettiğini ve ne kadar güçlü olduklarını belirler.

Video: Mikro pipet testi, iki hücre arasındaki yapışma(adezyon) kuvvetini ölçer. Video Sahibi: Tony Tsai / Sean Megason / Harvard Tıp Fakültesi

Araştırmacılar, adezyon kodlarının, hücre gelişiminde hücre kaderini ve model oluşumunu yönettiği uzun zamandır bilinen ve ana sinyal molekülleri olan morfojenler tarafından düzenlendiğini buldular. Sonuçlar, morfojenlerin ve adezyon özelliklerinin karşılıklı etkileşiminin, hücrelerin bir organizmayı inşa etmek için gereken hassasiyet ve tutarlılıkla organize olmasına izin verdiğini göstermektedir.

Çalışmanın ortak yazarı Megason, “Laboratuvarımın amacı biyolojik formun temel tasarım ilkelerini anlamak” dedi. “Bulgularımız, embriyolojide en eski ve en önemlilerinden biri olan morfogenez sorusuna yaklaşmanın yeni bir yolunu temsil ediyor. Bunu, bu tür çalışmalar için buzdağının ucu olarak görüyoruz.”

Yazarlar, hücrelerin erken gelişimde kendi kendini nasıl organize ettiğine dair görüşlerin, organ nakli gibi klinik kullanımlar için doku ve organ mühendisliği çalışmalarına da yardımcı olabileceğini söyledi.

Blavatnik Enstitüsü’nde sistem biyolojisi araştırma görevlisi olan baş çalışma yazarı Tony Tsai, “Araştırma veya tıbbi uygulamalar için yapay dokular oluşturmak kritik öneme sahip bir hedeftir, ancak şu anda en büyük sorunlardan biri tutarsızlıktır” dedi. “Gelişmekte olan bir embriyodaki hücrelerin bir organizmanın bileşenlerini bu kadar sağlam ve yeniden üretilebilir bir şekilde nasıl inşa edebildiğini anlamak ve tersine çevirerek öğrenmek için açık bir ders var.”

Rekabet

Tsai’nin öncülüğünü yaptığı ve Carl-Philipp Heisenberg ve IST Avusturya’daki meslektaşları ile iş birliği içinde olan araştırma ekibi ilk olarak morfogenez için en köklü yapılardan biri olan Fransız bayrak modeline baktı.

Bu modelde, morfojenler embriyodaki lokalize kaynaklardan salınır ve yakındaki hücreleri, daha uzaktaki hücrelere göre daha yüksek sinyal molekülü seviyelerine maruz bırakır. Bir hücrenin maruz kaldığı morfojen miktarı, farklı hücresel programları, özellikle de hücre kaderini belirleyenleri aktive eder. Morfojenlerin konsantrasyon gradyanları bu nedenle hücre grupları üzerine boya desenleri oluşturur ve Fransız bayrağının farklı renk bantlarını çağrıştırır.

Ancak bu modelin sınırlamaları vardır. Megason laboratuvarında yapılan önceki çalışmalarda, morfojen sinyallerinin özellikle “bayrak” sınırlarında gürültülü ve belirsiz olabileceğini göstermek için tüm zebra balığı embriyolarında canlı hücre görüntüleme ve tek hücreli izleme kullandı. Ek olarak, gelişmekte olan bir embriyodaki hücreler sürekli olarak bölünür ve hareket halindedir, bu da morfojen sinyalini karıştırabilir. Bu, hücre tiplerinin ilk karışık modeline neden olur.

Yine de hücreler gürültülü bir başlangıçta bile kendilerini hassas kalıplara ayırıyor, bu çalışmadaki ekip bunun nasıl olduğunu anlamak için yola çıktı. 50 yılı aşkın bir süre önce önerilen ve diferansiyel adezyon olarak bilinen bir hipoteze odaklandılar. Bu model, hücrelerin belirli diğer hücre türlerine bağlı kaldıklarını, yağ ve sirkenin zamanla ayrılmasına benzer bir şekilde kendi kendini sınıflandırdığını öne sürüyor. Ancak bunun modelde rol oynadığına dair çok az kanıt vardı.

Araştırmak için Megason, Tsai ve meslektaşları, hücrelerin birbirine yapışmasını sağlayan gücü ölçmek için bir yöntem geliştirdiler. İki ayrı hücreyi bir araya getirdiler ve ardından her bir hücreyi iki mikro pipetten tam olarak kontrol edilen emme basıncıyla çektiler. Bu, araştırmacıların hücreleri birbirinden ayırmak için gereken kesin kuvvet miktarını ölçmelerini sağladı. Ayrıca aynı anda üç hücreyi analiz ederek, adezyon tercihlerini de belirleyebilirler.

Ekip, Zebra balığı embriyolarında yeni ortaya çıkan omuriliği inşa etmede yer alan üç farklı nöral progenitör hücrenin desenini incelemek için bu tekniği kullandı.

Deneyler, benzer tipteki hücrelerin güçlü ve tercihen birbirine bağlı olduğunu ortaya çıkardı. Araştırmacılar, ilgili adezyon molekülü kodlayan genleri tanımlamak için, tek hücreli RNA dizilimi kullanarak her hücre tipinin gen ekspresyon profilini analiz ettiler. Daha sonra aday genlerin ekspresyonunu tek tek engellemek için CRISPR-Cas9 kullandılar. Eğer model oluşumu bozulursa, molekülün adezyona ne kadar katkıda bulunduğunu görmek için çekme testini uyguladılar.

Adezyon kodu

Üç genin -N-cadherin, cadherin 11 ve protocadherin 19- normal modelleme için gerekli olduğu ortaya çıktı. Bu genlerin farklı kombinasyonlarının ve farklı seviyelerinin ifade edilmesi, adezyon tercihindeki farklılıklardan sorumluydu ve ekibin adezyon kodu olarak adlandırdığı şeyi temsil ediyordu. Bu kod, hücre tiplerinin her biri için benzersizdir ve morfogenez sırasında hücre tipinin hangi diğer hücrelere bağlı kaldığını belirler.

Tsai, “Baktığımız üç adezyon molekülü de her hücre tipinde farklı miktarlarda ifade ediliyor ” dedi. “Hücreler bu kodu tercihen kendi türündeki hücrelere yapışmak için kullanırlar, bu da model oluşumu sırasında farklı hücre tiplerinin ayrılmasına izin verir. Ancak hücreler, doku oluşturmak için iş birliği yapmak zorunda olduklarından, diğer hücre türleriyle de bir miktar yapışabilir. Bu yerel etkileşim kurallarını bir araya getirerek, küresel resmi aydınlatabiliriz. ”

Yapışma kodu hücre tipine özgü olduğu için, araştırmacılar muhtemelen hücrenin kaderini belirleyen aynı süreçlerle, yani morfojen sinyaliyle kontrol edildiğini varsaydılar. En iyi bilinen morfojenlerden biri olan Sonic hedgehog’nun (Shh) hücre tipini ve karşılık gelen adezyon-molekül gen ekspresyonunu nasıl etkilediğine baktılar.

Analizler hem hücre tipi hem de adezyon molekülü gen ekspresyonunun hem seviye hem de uzamsal pozisyon açısından oldukça ilişkili olduğunu ortaya koydu. Bu, hücre tipi ve adezyon molekülü için gen ekspresyon kalıplarının Shh aktivitesindeki farklılıklara yanıt olarak, birlikte değiştiği bütün omurilik boyunca geçerlidir.

Megason, “Bulduğumuz şey, bu morfojenin sadece hücre kaderini değil, hücre yapışmasını da kontrol ettiği” dedi. “Fransız bayrağı modeli kaba bir taslak veriyor ve diferansiyel adezyon daha sonra kesin modeli oluşturuyor. Bu farklı stratejileri birleştirmek, hücrelerin embriyo oluşurken 3B uzayda ve zamanda nasıl modeller oluşturduğunu görmemizi sağlıyor. ”

Araştırmacılar şimdi gelişmekte olan embriyolarda morfojen sinyalleri ve adezyon arasındaki etkileşimi daha da yakından araştırıyor. Yazarlar, bu çalışmanın yalnızca üç farklı hücre tipine baktığını ve analiz edilecek birçok başka adezyon molekülü adayı ve morfojen olduğunu söyledi. Ek olarak, morfojenlerin hem hücre tipini hem de adezyon molekülü ekspresyonunu nasıl kontrol ettiğinin ayrıntıları belirsizliğini koruyor.

Yazarlar, bu süreçlerin daha iyi anlaşılmasının, bilim insanlarının tek hücreli bir yumurtanın bütün bir organizmayı inşa ettiği temel mekanizmaları ortaya çıkarmasına ve tersine çevirmesine yardımcı olabileceğini söyledi. Bunun biyoteknolojide, özellikle nakil için yapay doku ve organlar oluşturma çalışmalarında veya yeni ilaç adaylarının test edilmesinde önemli etkileri olabilir.

Megason, “Doku mühendisliğiyle ilgili şu anda sorun, temelde yatan bilimin ne olduğunu bilmememizdir” dedi. “Bir akarsu üzerinde küçük bir köprü kurmak istiyorsanız, belki bunu fiziği anlamadan yapabilirsiniz. Ancak büyük bir asma köprü inşa etmek istiyorsanız, temelde yatan fizik hakkında çok şey bilmeniz gerekir. Amacımız, bu kuralların embriyo için ne olduğunu bulmak. ”

Kaynak: scitechdaily.com